萃取分离稀土元素及计算机模拟计算的研究

为了改变稀土萃取工艺单靠人工模拟实验确定的落后状况和满足生产自动化的需要，近十多年来，国内外许多国家相继开展了稀土萃取数学模型的研究。但大部分工作侧重于两相平衡分配模型方面，所提出的相平衡分配模型中，用来进行串级计算的尚不多见，进行串级计算的也大多采取逐级计算法。对于P_(507)的萃取体系的数学模型的研究及用矩阵法进行串级模拟计算，国外尚未见报导。本论文在单级实验的基础上，对15个单一稀土的RECl_3-HCl-P_(507)体系及部分二元稀土的RECl_3-HCl-P_(507)和Re(NO_3)_3-HNO_3-P_(507)体系进行了萃取平衡的讨论，求出了上述体系中，单个稀土的表现浓度平衡常数；为了串级模拟计算的需要，提出了一个形式简单、较为通用的相平衡模型，用FORTRAN语言编写了该模型的回归程序，通过回归上述体系的单级实验数据，得到了各模型的系数。进行了(Sm-Gd)(NO_3)_3-HNO_3-P_(507)体系的分馏萃取实验，和中科院化工冶金所协作，对该体系的串级模拟计算进行研究。所用串级模型把两相稀土浓度、酸度、萃取剂浓度作为变量，由以上的相平衡模型和各级稀土、酸、萃取剂的物料稀算式构成的大型非线性方程组，采用改进牛顿法求解该方程组进行计算，用FORTRAN语言编写了计算程序，计算结果和实验结果较为一致。在此基础上，独立地继续进行研究，对串级模型进行了很大的改动，改进后的串级模型把酸度、萃取剂浓度这些变量隐含在相平衡模型中，去掉了原来串级模型的酸、萃取剂的物料稀算式。和原来串级模型相比，所含的变量及方程数均减少了2N个，大大减少了占用计算机的存贮单元，提高计算收敛速度。对计算方法作了扩大迭代方向，导找最优松弛因子，采用更为合理的保证解的笔挺理意义的限制等改进，使解的收敛稳定性得到了改善。根据以上的改进用FORTRAN语言编写了新的计算程序，计算结果和实验结果吻合很好，在拟合精度，迭代次数各方面都比用原来串级模型要好得多。此外，进行了改变串级条件的模拟计算，所得结果符合萃取规律的变化。对（Ho-Er)(NO_3)_3-HNO_3-P(507)进行了2个不同工艺条件的分馏萃取实验，模拟计算值和实验值相当吻合，该体系的改变工艺条件的计算，也得到了与萃取变化规律一致的计算结果。对于文献报导的P_(204)萃取体系的分馏萃取，也同样进行了模拟计算，计算值和实验值的吻合程度也相当令人满意。通过以上不同串级体系的模拟计算，说明了所提出的相平衡模型适用于串级模拟计算；秘诀进后的串级模型及计算方法更为可靠；证明了计算机辅助实验及工艺设计的可能性。为达到这个目标打下了基础。对环烷酸分离钇的萃取体系进行了合成料及龙南稀土料的分馏萃取实验，取得了出口水相钇的纯度>97%，有机相出口非钇稀土的纯度>94%的结果。根据该体系的实际情况，简化了串级模型，提出了一种处理多元稀土体系的模拟计算方法，用FORTRAN语言编写了逐级计算程序，计算结果和实验结果有一致的趋势，但具体数值差别较大，说明该简化的串级模型及计算方法均有不够完善之处，有待深入研究。提出了一种新的萃取方式，它具有三个物料出口，可同时把若干个稀土元素分成难、中、萃三组，经试探实验初步肯定了该萃取方式的实用性。若能将之用于工厂生产上，将会带来很大的经济效益，故值得进一步研究和推广应用。